Espectro eletromagnético

Em uma noite de céu limpo no campo, longe das luzes da cidade, aproximadamente 3.000 estrelas são visíveis a olho nu. Com um par de binóculos, dispositivo que efetivamente expande em aproximadamente 30 vezes a capacidade de nossa pupila, esse número aumenta para dezenas de milhares. Já com um grande telescópio, milhões de estrelas podem ser observadas.

Mas o que é que enxergamos? Na verdade, seja qual for a metodologia de observação ótica, as imagens que percebemos são apenas aquelas que se formam pela recepção de luz visível em nossos olhos.

E esta luz é apenas um tipo de radiação, uma pequena faixa de um amplo espectro de níveis de energia e comprimentos de onda, o chamado espectro eletromagnético (EM).

O EM varia desde os raios X e raios gama em alta energia (ondas curtas), passando pelas faixas de luz ultravioleta, luz visível e luz infravermelha, até o extremo de baixa energia das ondas de rádio e micro-ondas (ondas longas).

O espectro eletromagnético (EM) é uma faixa que abrange todos os tipos de radiação eletromagnética.

Radiação é energia que se propaga. A luz visível (ou luz ótica) emitida por uma lâmpada e as ondas de rádio transmitidas por uma emissora são dois tipos de radiação EM.

As outras formas de radiação que compõem o espectro EM são: micro-ondas, luz infravermelha, luz ultravioleta, raios X e raios gama.

Você sabe mais do que imagina sobre o espectro eletromagnético. A radiação nos atravessa o tempo todo, ela está sempre presente em nosso quotidiano.

A radiação emitida por nossos celulares, por exemplo, encontra-se em uma faixa intermediária entre as ondas de rádio FM e as micro-ondas.

Da radiação mais baixa até a de mais alta energia, veja abaixo mais alguns exemplos de como as faixas do EM influenciam nossas vidas:

• Rádio: um aparelho de rádio recebe ondas de rádio transmitidas pelas estações. Ondas de rádio também são emitidas por estrelas e gases do espaço.
• Micro-ondas: elas fazem suas pipocas em poucos minutos, e também são usadas por astrônomos para a compreensão das estruturas de galáxias vizinhas.
• Infravermelho (IV): óculos de visão noturna captam a luz infravermelha proveniente de nossa pele e de objetos que emanam calor. Esse tipo de radiação também ajuda no mapeamento da poeira interestelar.
• Luz visível ou luz ótica: é a luz que nossos olhos enxergam. Vagalumes, lâmpadas e estrelas emitem luz visível.
• Ultravioleta (UV): irradiada pelo Sol, é responsável pelo bronzeamento e queimaduras da pele. Outros objetos espaciais quentes também emitem radiação UV.
• Raios X: os dentistas usam-nos para obter imagens de seus dentes. A segurança dos aeroportos, para enxergar dentro de sua bagagem. Gases quentes do Universo também emitem raios X.
• Raios gama: são usados pelos médicos na obtenção de imagens internas de seu corpo. O maior gerador de raios gama é o próprio Universo.

As diferentes radiações do EM são geradas por diferentes processos e detectadas através de métodos específicos, mas não são fundamentalmente diferentes.

Ondas de rádio, raios gama, luz visível e todas as outras partes do EM são da mesma natureza: radiação eletromagnética. Esta pode ser descrita como um fluxo de partículas com massa de repouso nula, chamadas de fótons, que se deslocam à velocidade da luz em um padrão de onda.

Cada fóton contém uma certa quantidade de energia. Os diferentes tipos de radiação são definidos pelo volume de energia de seus fótons.

No caso das ondas de rádio, a energia é baixa, sendo um pouco maior nos fótons de micro-ondas, maior ainda na luz infravermelha e assim sucessivamente, passando pela luz visível, ultravioleta, raios X e, por fim, chegando à radiação com o maior nível energético, os raios gama.

Considerando que todas as faixas do espectro eletromagnético são essencialmente a mesma coisa (radiação eletromagnética), o método usado pelos astrônomos para observar a luz dos objetos celestes depende da porção do espectro que eles desejam estudar.

O meio de coleta da luz depende do comprimento de onda. Os telescópios são equipados com sensores diferentes para o estudo completo das ondas emitidas pelos objetos celestes.

E não é qualquer tipo de radiação que pode penetrar na atmosfera da Terra. Por isso, para alguns comprimentos de onda, somente os telescópios espaciais são eficazes.

A radiação eletromagnética pode ser descrita em termos de energia, comprimento de onda ou frequência. A intensidade da energia é medida em elétron-volts (eV) ou joules (J); o comprimento de onda, em metros (m), e a frequência, em ciclos por segundo ou Hertz.

Estas quantidades relacionam-se umas com as outras através de fórmulas matemáticas precisas. Mas qual é a razão para o uso de três formas de descrição das coisas, cada uma com um tipo diferente de unidade física?

A resposta mais simples é: ao estudar os fenômenos da natureza, os cientistas não gostam de usar números muito grandes nem muito pequenos. É mais fácil, por exemplo, representar dois quilômetros do que dois mil metros. Assim, geralmente adota-se qualquer unidade de representação mais simples, para cada tipo de radiação EM com que se esteja lidando.

Astrônomos que estudam as ondas de rádio tendem a usar comprimento de onda ou frequência. A maior parte dessa porção do espectro varia de aproximadamente 1 cm a 1 km, o que corresponde, em frequência, à faixa de 30 gigahertz (GHz) a 300 kilohertz (kHz). As ondas de rádio constituem uma parte muito ampla do espectro.

Quem realiza pesquisas com infravermelho e luz ótica geralmente usa unidades de comprimento de onda. Para a faixa do IV, é adotado o micron (a milionésima parte do metro). Esta região do espectro encontra-se entre 1 e 100 microns.

Ao lidar com a luz ótica, os astrônomos usam tanto o angstrom (0.00000001 cm ou 10^-8 cm) quanto o nanômetro (0,0000001 cm ou 10^-7 cm). As cores violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho apresentam comprimentos de onda entre 400 e 700 nanômetros.

Esta faixa é apenas uma diminuta parte do espectro como um todo. Logo, o que nossos olhos podem ver é uma fração muito pequena de toda a radiação EM existente.

Os comprimentos de onda da radiação UV, raios X e raios gama são muito pequenos. Por isso, os astrônomos que estudam estes intervalos do EM costumam se referir a seus fótons por seus volumes de energia, medidos em elétron-volts (eV) ou joules (J).

A radiação UV cai na faixa entre pouquíssimos elétron-volts e aproximadamente 100 eV. A energia de fótons de raios X varia de 100 eV a 100.000 eV (= 100 keV). Raios gama, portanto, são todos os fótons com energia maior que 100 keV.

A quantidade de energia de um fóton faz com que ele se comporte mais como uma onda ou mais como uma partícula. Este fenômeno é denominado dualidade onda-partícula da luz.

É importante entender que não estamos nos referindo a uma característica intrínseca da luz (como ela é), mas sim a como ela se comporta. Fótons de baixa energia (por exemplo, fótons de rádio) comportam-se mais como ondas, enquanto que fótons de mais alta energia (como os raios X) comportam-se mais como partículas.

Os cientistas representam o comprimento de onda e a frequência, respectivamente, pelas letras gregas lambda (λ) e ni (ν). Usando estes símbolos, a seguir apresentamos as relações entre energia, comprimento de onda e frequência:

1. O comprimento de onda é igual à velocidade da luz dividida pela frequência:

2. Energia é igual à Constante de Planck multiplicada pela frequência:

Onde:

• λ = comprimento de onda
• ν = frequência
• E = energia
• c = velocidade da luz = 299.792.458 m/s
• h = Constante de Planck = 6.626 x 10^-27 erg/s

(c e h são constantes, ou seja, seus valores são sempre os mesmos)

Sem nos aprofundarmos em cálculos complicados, pois não é este nosso objetivo, abaixo apresentamos, para quem se interessar, uma tabela de conversão entre comprimento de onda, frequência e energia para o espectro eletromagnético: